У спутника, который запускают на геосинхронную земную орбиту, топливо составляет почти половину его массы. Если бы можно было нагружать спутник только частью топлива, которое понадобится для завершения миссии, с возможностью дозаправить спутник в будущем, это бы помогло снизить стоимость и дать возможность оборудовать спутники большим количеством научных приборов.
Функцией роботов-заправщиков станет преобразование энергии солнца и сбор отражаемого от поверхности планеты света. Также они смогут подпитываться электричеством по радиоканалам с Земли.
Подзарядка на автомате
Проект «космической бензоколонки» разработала группа ученых Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. Он рассчитан на обеспечение бесперебойной работы малых космических аппаратов Cospas-Sarsat –– международной поисково-спасательной системы, а также спутников — ретрансляторов интернета, видео и радиосвязи. Для этого, по замыслу разработчиков, на орбите должна быть развернута группировка из нескольких десятков роботов-заправщиков.
Прототип такого изделия –– это «классическая» летающая тарелка, в верхней и нижней полусферах которой размещены солнечные батареи и фотоэлектрические модули. Последние как раз отвечают за прием и передачу лазерного луча. В приборном модуле находятся система управления, аккумуляторы и импульсное зарядное устройство на основе ионистора, или, как его еще называют, суперконденсатора –– гаджета, способного мгновенно накапливать заряд электричества и так же быстро перенаправлять его потребителю.
Идея позволяет увеличить энерговооруженность спутников, находящихся на теневом участке орбиты, где нет солнечного света, а также в ситуациях, когда запаса электроэнергии не хватит для выполнения целевых задач. То есть фактически предотвратить потерю аппарата. В этой ситуации никто не откажется получить даже 100 Вт дополнительной электроэнергии.
Еще недавно КПД таких систем, с учетом потерь на преобразование света и передачу электричества, составлял не более 10–20%. Сейчас, благодаря использованию инфракрасных лазеров и высокоэффективных фотоэлектрических модулей на основе арсенида галлия, можно говорить о росте эффективности передачи энергии до 70%.
Разработкой «орбитальных заправок» в настоящее время занимаются также РКК «Энергия» (провела практический эксперимент по передаче электричества в атмосфере) и американское NASA c компанией Илона Маска SpaceX. Развитие систем межспутниковых лазерных коммуникаций для передачи больших потоков информации, электроэнергии — перспективное направление.
По существующим расценкам, вывод на орбиту 1 кг полезной нагрузки стоит около $50 тыс. В такую же сумму обходится создание 1 кг самого спутника. Малые аппараты весят от 100 до 500 кг. Так что достаточно просто посчитать себестоимость вывода такого объекта в космос (до $25 млн.). Служат они по 5–7 лет.
Помимо увеличения рабочего ресурса спутников, по словам специалистов академии им. А.Ф. Можайского, использование разработки может привести к изменению самой концепции проектирования космических аппаратов. При наличии на орбите заправщиков можно будет уменьшить площадь солнечных панелей с нескольких метров до одного, убрать дополнительные аккумуляторы. Это снизит вес летательных аппаратов, освободив место под размещение допоборудования.
При наличии на орбите заправщиков можно будет уменьшить площадь солнечных панелей с нескольких метров до одного, убрать дополнительные
Для того, чтобы понять, кого и где можно заправлять, давайте сначала разберемся, насколько сложной является задача создания спутника-заправщика. Логично предположить, что такой танкер должен будет перемещаться между спутниками-целями и последовательно заправлять их. И тут возникает проблема расхода топлива на такие перемещения. На низких орбитах спутники летают в кажущемся хаосе, для перехода от одного спутника к другому нужно будет менять и высоту орбиты и наклонение.
По 8 спутников в одной плоскости находятся у GPS/ГЛОНАСС. В этих плоскостях спутникам иногда приходится маневрировать для замещения вышедших из строя, но на высоте 20000 км серьезных помех нет, и топливо на поддержание орбиты тратить не надо. В одной плоскости также находятся все аппараты на геостационарной орбите. И тут как раз есть систематически действующая помеха. Из-за воздействия Луны спутникам постоянно приходится тратить топливо на поддержание требуемой точки стояния, и, учитывая надежность современных электронных компонентов, иногда бывает так, что исправный спутник сходит со своего места и перестает приносить деньги из-за закончившегося топлива.
Вывод: Главная цель для спутников-заправщиков — геостационарная орбита.
Немного истории
Об этом мало задумываются, но дозаправка объектов в космосе успешно используется уже лет сорок. Правда, заправляют не спутники, а орбитальные станции. Начиная с «Салюта-6» (выведен на орбиту в 1977) советские/российские орбитальные станции дозаправляются топливом с грузовых кораблей «Прогресс». Орбитальные станции регулярно тратят топливо на подъем орбиты и маневры по уклонению от космического мусора, поэтому дозаправка продлевает срок их существования. Но «Прогрессы» работают одноразовыми заправщиками и не перелетают к другим целям. Подобное можно реализовать и для спутников, но здесь встает вопрос экономической целесообразности заправки только одной цели.
Что же касается дозаправки именно спутников, то эта технология находится на уровне отдельных экспериментов. В 2007 году по программе Orbital Express на орбиту были запущены два специально созданных спутника — ASTRO и NEXTSat.
На орбите ASSTRO сблизился и состыковался с NEXTSat. Затем он перелил в NEXTSat топливо (гидразин) и заменил специальный модуль ORU, который символизировал аккумуляторы спутника. Миссия прошла успешно, подобные технологии предлагалось использовать для военных спутников, но информации об их использовании с тех пор нет.
В 2011 году последним рейсом шаттла на МКС был доставлен экспериментальный стенд Robotic Refueling Mission, на котором должны были отрабатываться технологии обслуживания и дозаправки спутников, не созданных специально для такой дозаправки. Поэтому на стенде были специальные инструменты для срезания фиксирующей заправочные горловины проволоки и откручивания крышек с уплотнителями.
В январе 2018 года израильская компания Effective Space заключила сделку на 100 миллионов долларов, и теперь она отправит на орбиту беспилотники для заправки спутников. Два беспилотника отправятся в космос, а затем, по мнению инженеров, смогут вернуть к жизни два спутника связи.
Дело в том, что спутники, которые находятся на геосинхронной орбите, обычно несут достаточно топлива, чтобы прослужить 15 лет. После этого спутники квалифицируются как космический мусор. В Effective Space считают, что смогут "омолодить" подобные аппараты.
Представители Effective Space пояснили, что в 2020 году они выпустят два беспилотных летательных аппарата в космос. Планируется, что дроны будут прикрепляться к спутникам, у которых исчерпывается топливо. После прикрепления беспилотные летательные аппараты станут своеобразными батареями для этих спутников в течение нескольких лет.
Дроны Effective Space смогут продлить жизнь спутникам еще на 4-5 лет. Такая операция позволит владельцу спутников, который остался неназванным, дополнительно заработать от 28 до 43 миллионов долларов.
Компания Effective Space уже создала прототип 400-килограммового беспилотника Space Drone, который способен решить задачу заправки спутника. Если выяснится, что проблема не в топливе, Space Drone сможет утилизировать спутник, изменив траекторию его движения, сам заправщик при этом сможет отправиться к следующему аппарату. Сам космический заправщик все еще находится в стадии разработки, и в ближайшем будущем планируется пересмотреть его дизайн.
Летом 2016 года NASA объявило о создании спутника Restore-L, который в середине 2020-х должен будет состыковаться и дозаправить спутник дистанционного зондирования Земли Landsat-7 (запущен в 1999) на полярной орбите. Использование этой орбиты означает, что заправщик будет одноразовым, но в документах также упоминается версия Restore-G для геостационарной орбиты.
